Wszystkie żywe gatunki są nieustannie narażone na czynniki reaktywne, które atakują organizmy z zewnątrz i od wewnątrz. W ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci badania koncentrowały się w szczególności na wolnych rodnikach ze względu na ich udział w powstawaniu i rozwoju wielu chorób.
Wolne rodniki są wysoce niestabilnymi związkami chemicznymi z powodu obecności w ich strukturze jednego lub więcej niesparowanych elektronów. Specyficzna dystrybucja elektroniczna powoduje, że wolne rodniki są bardzo reaktywne i próbują osiągnąć bardziej stabilny stan poprzez sprzężenie z innymi cząsteczkami lub atomami, „kradzież” ich atomów wodoru lub oddziaływanie z innymi rodnikami.
Po utworzeniu wolne rodniki reagują gwałtownie z innymi cząsteczkami poprzez reakcje redoks w celu uzyskania stabilnej konfiguracji elektronicznej. Podczas tego typu reakcji następuje transfer elektronów między związkami uczestniczącymi w reakcji, w których jeden gatunek traci elektrony (proces utleniania) na korzyść innego, który je kupuje (proces redukcji): cząsteczka ten, który traci elektrony, jest czynnikiem redukującym, podczas gdy ten, który je otrzymuje, jest utleniaczem.
Gdy wolny rodnik reaguje z nie-rodnikowym rodzajem, może utracić lub zyskać elektrony lub po prostu połączyć samą cząsteczkę. W każdym razie gatunki nie radykalne zamieniają się w nowy rodnik, który wyzwala reakcję łańcuchową, w której wolny rodnik generuje inny wolny rodnik, dopóki dwa rodniki nie spotkają się i nie zatrzymają kaskady reakcji.
ROS (reaktywne gatunki tlenu) i inne reaktywne formy rodnikowe są wytwarzane przez same komórki podczas normalnych procesów fizjologicznych lub mogą mieć pochodzenie egzogenne. Wewnątrz ciała są normalnie uwalniane jako metaboliczne produkty uboczne oddychania tlenowego, niektóre procesy enzymatyczne i reakcje immunologiczne, podczas gdy wśród głównych czynników zewnętrznych, które prowadzą do powstawania wolnych rodników, są zanieczyszczenia atmosferyczne, promieniowanie ultrafioletowe, czynniki chemiczne i stres,
W warunkach fizjologicznych żywe systemy posiadają endogenne systemy obronne, które chronią strukturalne i funkcjonalne biomolekuły przed atakiem wolnych rodników. Te systemy obronne, które mogą być enzymatyczne (glutation, dysmutaza ponadtlenkowa, katalaza) i nieenzymatyczne (cząsteczki antyoksydacyjne i witaminy przyjmowane wraz z dietą), reagują z rodnikami, zanim zdążą zaatakować struktury biologiczne, tłumiąc ich potencjał szkodliwe.
Wobec braku tej „bariery antyoksydacyjnej” wolne rodniki szybko reagują z biocząsteczkami krytycznymi dla życia, takimi jak DNA, lipidy i białka, powodując poważne uszkodzenie komórek, a nawet śmierć komórek.
Z powodu nadmiernej ekspozycji na silnie reaktywne związki utleniające równowaga między wolnymi rodnikami i przeciwutleniaczami może zostać utracona; powoduje to sytuację stresu oksydacyjnego, który jest odpowiedzialny za ważne uszkodzenia, które zagrażają funkcjonalności komórek i tkanek i są związane z licznymi chorobami przewlekłymi, takimi jak zaburzenia sercowo-krążeniowe (miażdżyca tętnic, niedokrwienie, udar), cukrzyca, rak, choroby neurodegeneracyjne (np. choroba Parkinsona, Alzheimera). Ponadto stres oksydacyjny jest jedną z głównych przyczyn starzenia się komórek. ROS faktycznie atakują łańcuchy polinaturowe lipidów powodując ich utlenianie (peroksydacja lipidów). Zmiana łańcuchów lipidowych stanowi poważne uszkodzenie błon komórkowych, które stają się bardziej przepuszczalne i tracą swoją skuteczność, aw konsekwencji przedwczesne starzenie się komórek i tkanek.
Z chemicznego punktu widzenia wolne rodniki stanowią szeroką rodzinę związków, które w celu uproszczenia można podzielić na dwie główne kategorie: ROS (reaktywne gatunki tlenu), które są reaktywnymi formami zawierającymi tlen i które obejmują również cząsteczki nierodnikowe, takie jak nadtlenki i RNS (Reactive Nitrogen Species), które zawierają rodniki azotu (rodnik NO azotowy i nadtlenoazotyn).
ROS powstają fizjologicznie w małych ilościach jako wtórne produkty metabolizmu oddechowego, ale mogą być wytwarzane w dużych ilościach również z powodu czynników środowiskowych, takich jak promieniowanie UV i zanieczyszczenie, lub przez działanie układu odpornościowego po wyzwoleniu reakcje zapalne. ROS obejmuje zarówno rodniki rodnikowe, takie jak anion ponadtlenkowy, rodnik hydroksylowy i rodniki hydroperoksylowe, które są rodzajami nie rodnikowymi, takimi jak nadtlenek wodoru (H2O2) i tlen singletowy. Rodnik hydroksylowy i tlen singletowy są najbardziej reaktywnymi formami wolnych rodników, ponieważ szybko utleniają wszystkie cząsteczki biologiczne, w szczególności nienasycone tłuszcze, białka, kwasy nukleinowe, powodując poważne uszkodzenia komórek.
